Si toma un balde de globos de agua y empuja uno de ellos, los globos vecinos también responderán. Este es un ejemplo ampliado de cómo las colecciones de células y otros empaquetamientos de partículas deformables responden a las fuerzas. Modelar este fenómeno con simulaciones por computadora puede arrojar luz sobre cómo las células cancerosas invaden el tejido sano o cómo crecen las hojas y las flores. Pero el comportamiento de los agregados celulares es extremadamente complejo, y capturar completamente su estructura y dinámica ha resultado complicado.

Un equipo de investigadores del laboratorio de Corey O'Hern, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales, física, y física aplicada, ha desarrollado novedosas simulaciones por ordenador de partículas deformables que modelan con mayor precisión su comportamiento colectivo. El estudio fue dirigido por John Treado, un doctorado estudiante, e investigador postdoctoral Dong Wang, ambos en el laboratorio O'Hern. Fue publicado recientemente en Materiales de revisión física .

Células, burbujas gotas, y otras partículas pequeñas que forman los sólidos blandos, que incluyen cualquier cosa, desde mayonesa y crema de afeitar hasta células y tejidos, son todas altamente deformables. Existe una variabilidad significativa en cómo cambian de forma, y cómo responden a las fuerzas.

"Existe una fuerte conexión entre la respuesta de la colección de partículas a las fuerzas aplicadas, forma de partícula, y deformabilidad, "Treado dijo." La deformabilidad de las partículas determina cómo se van a mover, porque están muy comprimidos con muchos vecinos que los están aplastando por todos lados ".

Los modelos informáticos convencionales suelen representar partículas blandas como esferas. Cuando las esferas se presionan unas contra otras, los modelos representan las deformaciones de las esferas haciendo que se superpongan. Este enfoque funciona hasta cierto punto, pero la información crucial sobre las formas e interacciones de las partículas se pierde o se tergiversa.

El equipo de O'Hern, aunque, desarrolló un modelo de computadora que puede ajustar las partículas para que no sean flexibles, con la capacidad de cambiar de forma fácilmente, a ser completamente rígido. Este modelo trata cada partícula como un anillo de pequeñas esferas conectadas. En la simulación, se aplican fuerzas a las perlas esféricas, y el modelo rastrea cómo las cuentas conectadas cambian de posición y orientación.

Los investigadores encontraron que permitir cambios de forma colectivos producía respuestas materiales que no habrían observado con formas esféricas fijas de las partículas. Los resultados subrayan la importancia de incorporar la variabilidad de la forma en modelos de tejidos, espumas y otros sólidos blandos compuestos por partículas deformables.

"Ahora necesitamos ampliar el modelo a tres dimensiones, que imita más de cerca el mundo real, Wang dijo. También podemos aplicar el modelo de partículas deformables a sistemas biológicos activos, que pueden formar enjambres, escuelas, y rebaños ".

Treado y Wang también están utilizando actualmente este nuevo modelo informático para estudiar cómo las células tumorales invaden el tejido adiposo en el cáncer de mama. En la mayoría de los cánceres, las células tumorales pueden cambiar su forma para arrastrarse a través del tejido denso, llegar a los vasos sanguíneos, y propagarse a otros sitios.

"Ahora buscamos determinar los límites físicos de la deformabilidad de las células tumorales, y las fuerzas que deben ejercer para atravesar un tejido denso, Treado dijo. Su trabajo puede conducir a mejoras en la capacidad de predecir si los cánceres harán metástasis o no.